芒稻河特大桥深水基础钢板桩及双壁钢围堰比选研究*

王 亭 林海峰 王 序 刘昌箭 卓为顶

(1.中铁四局集团第二工程有限公司 苏州 215131； 2.江苏省交通工程建设局 南京 210004；3.东南大学土木工程学院 南京 211189)

在大型桥梁的深水桩基础施工中，常常需要采用双壁钢围堰或钢板桩围堰作为水中临时围护结构来完成桩基承台的混凝土浇筑。而实际围堰方案的选择，则需要考虑具体桥位的水文、地质条件等多种因素。

双壁钢围堰由2层围堰壁板组成，层间通过支撑连接，围堰内根据现场实际需求再设置对撑。其刚度大、强度高，能够在覆盖层较厚，水流流速快等复杂地质条件下使用。例如，港珠澳大桥[1]、苏通大桥[2]、沪通大桥[3]等。

钢板桩围堰由钢板桩和围堰内支撑构成，它是一种通过两两之间互相扣锁达到挡水效果的装置。相对于双壁钢围堰，钢板桩围堰施工速度快、占地空间小、设备要求低，经济效益更加显著。例如，武汉鹦鹉洲长江大桥[4]、楠溪江特大桥[5]、如皋港长青沙二桥等。

本文结合五峰山芒稻河特大桥基础形式及桥位特点，从工期、安全、经济的原则出发，对双壁钢围堰和钢板桩围堰方案进行设计比选。

1 双壁钢围堰及钢板桩围堰特点对比

双壁钢围堰壁板结构由内外层钢板和其中的支撑组成，并通过竖向及横向加劲肋提升整体刚度，壁板夹层间设置板舱，对板舱进行注水和抽水以实现围堰的下沉和纠偏。双壁钢围堰具有较大的整体刚度，可以抵抗30 m以上的水头差，适用于10～50 m的深水基础。施工工艺通常包括：钢围堰制造、浮运运输、河床吸泥、围堰下沉接高、浇注封底混凝土、抽水等。虽然双壁钢围堰施工工艺复杂，运输受航道影响较大，但双壁钢围堰密水性好，只需做好封底措施，后期基本可以做到不渗漏。因此，在很多大型桥梁中通常采用双壁钢围堰作为基础施工方法。

钢板桩是带有锁扣的一种型钢，具有断面形式可变、结构轻巧、可重复使用、防腐性好等特点，是建造临时围挡的理想材料。钢板桩围堰由钢板桩通过锁扣连接，架以围囹支撑形成钢板桩围堰，整体刚度比双壁钢围堰小，主要适用于4～36 m的深水基础。钢板桩围堰由于没有刃脚，且自重小，因此，主要用于软土地基浅覆盖层[6-7]。其施工工艺简便，主要包括：振动锤插打钢板桩、围囹支撑安装、浇注封底混凝土、抽水等。相对于双壁钢围堰，钢板桩围堰的围囹支撑可以在现场采用型钢制作，整体部件运输简便，同时起吊设备吨位要求小、构件占用场地面积小、施工速度快，在软土河床桥位基础施工时具有很好的经济性。

双壁钢围堰和钢板桩围堰的特点对比，见表1。由表1可见，双壁钢围堰适用于内外水头差大、复杂地质的工况，且自身密水性较好，但施工周期长、造价高；钢板桩围堰适用于水深较低和软土地基的工况，同时密水性相对一般，但造价低、施工周期短。以上两者均具备施工可行性，可根据实际需求进行钢围堰的选择确定。

表1 双壁钢围堰和钢板桩围堰特点对比表

2 应用案例——芒稻河特大桥基础工程

2.1 工程概况

五峰山过江通道南北公路接线工程位于扬州市江都区，路线整体呈南北走向，路线全长1.975 km。芒稻河特大桥上部结构采用77 m+3×130 m+82 m预应力混凝土刚构-连续梁组合体系，下部结构主墩(33～36号墩)为深水基础，承台设置于河床底，采用实心墩。

项目区地貌为新三角洲与江心洲工程地质区，成陆时代新，地面标高一般在3～5 m左右。以34号墩柱围堰范围内地质情况为例，-10.599～-13.2 m为淤泥质粉质黏土，-13.2～-15.8 m为粉土，-15.8 m以下为粉砂。该地区年均降水量为1 062.4 mm，芒稻河流速较缓，平均流速1.3 m/s，峰值2 m/s，最大水深达18 m。桥址处距离芒稻河并入长江口10 km，受长江汛期的影响，7-9月为高水位时期，300年一遇洪水位为6.894 m。

2.2 芒稻河特大桥钢围堰方案比选

为了使芒稻河特大桥基础施工顺利进行，保证工程质量，提出了基于双壁钢围堰和钢管桩围堰进行围挡的2种方法。

双壁钢围堰方案采用矩形截面，围堰平面尺寸为47 m×18 m、壁厚1.5 m，竖向分为4节，平面分为16块，围堰总高度：6.2 m(第一节)+2×6 m(第二、三节)+4.8 m(第四节)=23 m，其中，围堰顶标高+5.0 m，围堰底标高-18.0 m，封底混凝土厚3 m，设计水位+4.0 m。双壁钢围堰方案构造图见图1。施工工艺为：双壁钢围堰设计→后场分块加工→现场底节拼装→吊装下放→上节拼装接高→混凝土配重(或注水)下沉→围堰内吸泥清淤→浇筑封底混凝土→围堰抽水→承台施工。

图1 双壁钢围堰布置图(单位：mm)

拟采用的钢板桩围堰方案平面尺寸为45.6 m×16.8 m，选用拉森IVw型钢板桩，材质SY295，单根长34 m，共设置5层内支撑。围堰顶标高为+5.0 m，围堰底标高-29.0 m，封底混凝土厚5.5 m，设计水位+4.0 m。钢板桩围堰方案构造图见图2。

图2 钢板桩围堰布置图(单位：mm)

钢板桩围堰施工工艺如下：钢板桩围堰设计→钢板桩逐根插打至合龙→安装内支撑→围堰内吸泥清淤→浇筑封底混凝土→围堰抽水→承台施工。

根据类似工程施工经验，双壁钢围堰综合单价按1万元/t考虑，钢板桩围堰按0.6万元/t考虑。对2种方案的施工可行性、安全性、结构受力特点、施工工期和经济性进行计算与对比，结果见表2。

表2 方案比选汇总表

由表2可见，双壁钢围堰及钢板桩围堰在技术上均可行，但双壁钢围堰方案难以满足项目施工工期要求，且造价高出约1 400万元。同时，项目桥址下游4.5 km处已建的夹江大桥通航高度仅6.8 m，采用双壁钢围堰施工时，大型浮吊无法进场，双壁钢围堰不具备整体吊装、下沉条件，只能采取竖向分段、横向分块的散拼法。桥址处部分主墩河床面大角度倾斜，双壁钢围堰下沉定位和垂直度控制难度大，若出现下沉偏位，纠正难度极大。

因此，结合项目实际情况，本项目深水基础施工采用钢板桩围堰。

3 超长钢板桩围堰用于深水基础时的改进措施

由于芒稻河最大水深达14 m，围堰内外水头差19 m，使得所选用的钢板桩的最大长度达34 m。对于此类型的超长钢板桩围堰，往往承受着更大的水头差和土压力[8]，这会导致外侧钢板桩竖向抗弯承载能力不足，此效应在顺水流向的钢板桩表面更明显[9]。而由于钢板桩的竖向变形，使得围囹支撑对撑在水平向，除去由于自重产生的下挠外，还会承受轴向力，为“弯压组合”荷载，这对结构的变形是极其不利的。

为解决以上2个问题，可在迎水面采用H型钢焊接在钢板桩表面增大截面积，以增加钢板桩抗弯刚度；对于围囹对撑则可采用逐层焊接竖向钢管的方式“变简支为连续”，达到减小跨中挠度的目标，加固效果见图3。除去此类由于结构抗弯刚度不足而导致的变形问题外，超长钢板桩围堰易在高水头差的作用下产生漏水，同时随着深度的增加，漏水现象越发显著。为避免此问题，通常会在打入钢板桩前，在锁扣位置涂抹黄油；在打入钢板桩后，若发现漏水，会对漏水位置抛掷锯木屑、粉煤灰、水泥浆等物体，通过水压差吸附抛掷物进行堵漏。但以上方法不能堵漏密实，此时可采取土工布或磁性橡胶条进行堵漏，对于渗漏严重位置采取焊接角钢堵漏，堵漏效果见图4。

图3 加固方式

图4 堵漏方式

4 结语

本文基于五峰山过江通道南北公路接线工程芒稻河特大桥对围堰施工方案进行探讨，并对超长钢板桩围堰用于桥梁深水基础进行了研究，得出以下结论。

1) 双壁钢围堰相适用于各类土层和10～50 m的深水基础，钢板桩围堰适用于软土层和4～36 m的深水基础。

2) 超长钢板桩围堰可通过焊接型钢增加竖向抗弯刚度，在围囹支撑的水平层之间焊接钢管“变简支为连续”降低水平支撑的跨中挠度，采用土工布、磁性胶条、焊接角钢等方法进行堵漏。

3) 通过方案比选，芒稻河特大桥采用钢板桩围堰方案进行施工，相比双壁钢围堰方案节约预算约1 400万元，工期提前72 d，经济效益显著。可为以后的类似桥梁建设提供参考。